耐磨熱電偶測溫工作原理及注意事項

熱電偶( thermocouple)具有結(jié)構(gòu)簡單、測量準(zhǔn)確度較高、裸絲熱容zui小、材料的互換性好等優(yōu)點(diǎn)。利用熱電偶作為傳感器的熱電偶溫度計測溫范圍低溫可至4K,高溫可達(dá)2800c. 熱電偶能進(jìn)行多點(diǎn)溫度測量，其輸出信號能夠遠(yuǎn)距離傳送.便于檢測和控制。因此熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。
熱電效應(yīng)
把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，如圖 2-21所示，如果將它們的兩個接點(diǎn)分別置于不同的溫度，則在該回路就會產(chǎn)生電勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng).或稱塞貝克效應(yīng)(Seebeck)。產(chǎn)生的電勢通稱為熱電勢，記作 EAB(T, To)。熱電阻

 
熱電偶是熱電偶溫度計的敏感元件，它測溫的基本原理是基于熱電效應(yīng)。如圖2-21所示，把兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A和B連接成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)1與2的溫度不同時，如 T> T。.則回路中就會產(chǎn)生熱電勢EAs (T,T0)。導(dǎo)體A, B稱為熱電極，其中，A表示熱電偶的正極;B表示負(fù)極。兩熱電極A和B的組合稱為熱電偶。在兩個接點(diǎn)中.接點(diǎn)，是將兩電極焊在一起，測溫時將它放人被側(cè)對象中感受被側(cè)沮度，故稱之為測量端、熱端或工作端;接點(diǎn) 2處于環(huán)境之中，要求溫度恒定，故稱之為參考端、冷端或自由端。
熱電偶就是通過側(cè)zui熱電勢來實現(xiàn)測溫的。該熱電勢由兩部分組成:接觸電勢(又稱拍爾帖電勢)與溫差電勢(又稱湯姆遜電勢)
兩種導(dǎo)體的接觸電勢
接觸電勢是基于帕爾帖(Peltier)效應(yīng)產(chǎn)生的，即由于兩種不同的導(dǎo)體接觸時，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的擴(kuò)散，直至達(dá)到動態(tài)平衡為止而形成的熱電勢。自由電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。
設(shè)導(dǎo)體A與B的自由電子密度分別為NA NB，并且NA, >NB。則在單位時間內(nèi)，由導(dǎo)體A 擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)比從B擴(kuò)散到A的自由電子數(shù)多.導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B因獲得電子而帶負(fù)電，因此，在A和B間形成了電勢差。這個電勢在A, B接觸處形成一個靜電場，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。在某一溫度T下，電子擴(kuò)散能力與靜電場的阻力達(dá)到動態(tài)平衡，此時在接點(diǎn)處形成接觸電勢.并表示為熱電偶。

式中EAB(T)—導(dǎo)體A和B在溫度T時的接觸電勢，v;
T一接點(diǎn)處溫度，K;
k—玻耳茲曼常數(shù)，;
e—單位電荷.;
NAT—導(dǎo)體A在溫度T時的自由電子密度，cm-3
NBT—導(dǎo)體B在溫度T時的自由電子密度，cm-3
注意:接觸電勢EAB(T)腳碼AB的順序代表電位差的方向。如果改變腳碼的順序.電勢 "E”前面的符號也應(yīng)隨之改變，即在熱電勢符號“E"前加“-”號。
從式(2-83)中看出，接觸電勢的大小與接點(diǎn)溫度的高低以及導(dǎo)體A和B的自由電子密度有關(guān)。溫度越高，接觸電勢越大，兩種導(dǎo)體自由電子密度的比值越大，接觸電勢也越大。當(dāng)A和B為同一種材質(zhì)時，則有EAA(T) =0
單一導(dǎo)體中的溫差電勢
溫差電勢是基于湯姆遜效應(yīng)(Tomson )產(chǎn)生的，即同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。
設(shè)導(dǎo)體A兩端溫度分別為T和To ,且T>T.。此時形成溫度梯度.使高溫端的自由電子能量大于低溫端的自由電子能zui，因此從高a端擴(kuò)散到低溫端的自由電子數(shù)比從低溫端擴(kuò)散到高溫端的要多.結(jié)果高溫端因失去自由電子而帶正電荷，低溫端因獲得自由電子而帶負(fù)電荷。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止自由電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，zui后使自由電子擴(kuò)散達(dá)到動平衡，此時所形成的電位差稱為A差電勢.用下式表示

 
式中，EA, (T, T。,)為導(dǎo)體A兩端溫度各為T和T。 (T > To)時的溫差電勢，V。,
同理，當(dāng)導(dǎo)體B兩端溫度分別為T和To.且T>T0時，也將產(chǎn)生溫差電勢。從式(2-84) 可見，溫差電勢的大小取決于熱電極兩端的溫差和熱電極的自由電子密度，而自由電子密度又與熱電極材料成分有關(guān)。溫差越大，溫差電勢也越大。當(dāng)熱電極兩端溫度相同時，溫差電勢為零，即EA, (T, To)=0
熱電偶閉合回路的總電勢
 
如圖2-22所示的熱電偶閉合回路中將產(chǎn)生兩個溫差電勢EA(T,T。), EB(T,T。.)及兩個接觸電勢EAB(T) . EAB(To)。設(shè)T>To, NA>NB，由于溫差電勢比接觸電勢小，所以在熱電偶回路總電勢中，以導(dǎo)體A和R在熱端的接觸電勢EAB ( T)所占百分比zui大，決定了回路總電勢，即熱電勢的方向，這時總的熱電勢EAB(T，To)可寫成

由式(2-86)可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與自由電子密度及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)。自由電子密度不僅取決于熱電偶材料特性，而且隨溫度變化而變化，它們并非常數(shù)。所以，當(dāng)熱電偶材料一定時，熱電勢EAB(T,T。)成為溫度T和To的函數(shù)差，即

如果能使冷端溫度To固定，即f( TO)=C(常數(shù))，則對確定的熱電偶材料，其熱電勢 EAB(T,To)就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即補(bǔ)償導(dǎo)線

 
這種特性稱為熱電偶的熱電特性，可通過實驗方法求得。由此可見，當(dāng)保持熱電偶冷端沮度To不變時，只要用儀表測得熱電勢EAB ( T, T。, )，就可求得被測溫度T。
溫標(biāo)規(guī)定:在To = 0℃時.用實驗的方法測出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值，并制成一張張表格，這就是常說的分度表。溫度與熱電勢之間的關(guān)系也可以用函數(shù)關(guān)系表示，稱為參考函數(shù)。新的N際溫標(biāo)ITS-90的分度表和參考函數(shù)是
由電工委員會和計量委員會合作安排，上有的研究機(jī)構(gòu)(包括中國在內(nèi)) 共同參與完成的，它是熱電偶測溫的主要依據(jù)。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的分度表和參考函數(shù)詳見附錄 A和附錄B。
結(jié)論
由以上熱電偶的測溫原理，可得:
(1)熱電偶測溫三要素，即不同材質(zhì)、不同溫度和閉合回路，三者缺一不可。
(2)若f( To)固定.則EAB(T.TO)是被測溫度T的單值函數(shù)。
(3)冷端溫度恒定與否，決定了測溫的準(zhǔn)確度高低。 由式(2-86)可見，熱電偶熱電勢與溫度之間的關(guān)系是非線性的，二者之間嚴(yán)格的數(shù)學(xué)函數(shù)另系難以準(zhǔn)確得到.只能依據(jù)溫標(biāo)用實驗的方法得到，即制成熱電偶分度表 春輝集團(tuán)提供！